增益增強(qiáng)共源共柵放大器的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種采用增益增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的帶開關(guān)電容共模反饋的折疊式共源共柵跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，可用于流水線結(jié)構(gòu)的A/D中。出于對(duì)性能及版圖因素的考慮，采用了單端放大器作為增益提高輔助放大器。并通過改進(jìn)共模負(fù)反饋電路，使得放大器輸出共模反饋電壓穩(wěn)定更快，抖動(dòng)更小。本設(shè)計(jì)在Cadence環(huán)境下對(duì)運(yùn)放的電路和版圖進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，放大器的各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到了理想的效果。

　　1 電路結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

　　CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器常用結(jié)構(gòu)有兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)、套筒結(jié)構(gòu)和折疊共源共柵結(jié)構(gòu)等形式。兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)的運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)雖然具有高增益、高擺幅等優(yōu)點(diǎn)，但由于每一級(jí)至少引入一個(gè)極點(diǎn)，為了保障整個(gè)放大器的相頻特性滿足要求，需要額外的頻率補(bǔ)償電路，從而提升了放大器的電流和功耗，限制了放大器帶寬，同時(shí)降低了放大器速度，因此不能滿足本設(shè)計(jì)中對(duì)于運(yùn)放帶寬和速度的要求。套筒式結(jié)構(gòu)雖然具有較高的增益、較好頻率特性及較低功耗，但是受到結(jié)構(gòu)限制，其輸出擺幅和共模輸入范圍小，不滿足設(shè)計(jì)要求。折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)針對(duì)套筒結(jié)構(gòu)輸出擺幅小的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，通過增加電路支數(shù)，提高功耗，在提供較高的增益前提下，又滿足了大帶寬、高擺幅和高速的要求。通過對(duì)折疊共源共柵結(jié)構(gòu)應(yīng)用增益增強(qiáng)技術(shù)，可以在不影響信號(hào)帶寬、壓擺率和相位特性的情況下進(jìn)一步提高電路直流增益。因此，針對(duì)本設(shè)計(jì)的特殊要求，選取了應(yīng)用增益增強(qiáng)技術(shù)的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)。

　　1.1 主運(yùn)放電路

　　本文設(shè)計(jì)的折疊共源共柵運(yùn)算放大器如圖1所示。M0，M1為差分輸入對(duì)管;M2為差分對(duì)管恒流源;M4，M5為電流源;M6，M7為共柵管;M8，M10，M58，M59為共源共柵電流源負(fù)載。由于NMOS管的載流子遷移率更高，采用NMOS管作差分輸入級(jí)可提高運(yùn)放增益和帶寬。

　　當(dāng)無增益提高輔助運(yùn)放時(shí)，主運(yùn)放的小信號(hào)電壓增益為：

　　可見，與基本的恒流源負(fù)載放大電路相比，輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電阻增大gmRout倍，所以共源共柵結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器能夠提供高增益。

1.2 開關(guān)電容共模負(fù)反饋電路

　　由于折疊共源共柵放大器需要極其精準(zhǔn)的偏置電壓才能使電路輸出共模穩(wěn)定在一個(gè)固定值，因此必須引入一個(gè)共模負(fù)反饋電路，來使整個(gè)電路的輸出共模穩(wěn)定在要求的輸出電壓共模上。常用的共模負(fù)反饋電路分為連續(xù)時(shí)間型共模負(fù)反饋和開關(guān)電容共模負(fù)反饋兩種。由于開關(guān)電容共模負(fù)反饋即無靜